Атомные нарушения структуры кристалла. Классификация дефектов структуры.

В идеальном кристалле при термодинамическом равновесии расположены материальные частицы, характеризующиеся строго трехмерной периодичностью. Геометрической схемой периодичности является пространственная решетка.

Материальные частицы совершают гармонические колебания около своих положений равновесия, причем амплитуды колебаний этих частиц зависят только от внешних условий (р, Т). Физические свойства идеальных кристаллов определяются его химическим составом, силами связи между частицами и симметрией кристаллов, т.е. категорией, сингонией и классом симметрии. Эти свойства структурно-нечувствительны. Небольшие отклонения от правильности и периодичности, дефекты кристаллической структуры мало сказываются на общих закономерностях структурно- нечувствительных свойств.

Мы видели, что формы оптической индикатрисы зависят только от категории кристалла. Для всех веществ, принадлежащих к одной категории, различны лишь показатель преломления по кристаллографическим осям. В реальных кристаллах многие свойства зависят не только от типа кристаллической структуры, но и от дефектов этой структуры, т.е. нарушений периодичности и равновесия.

Структурно-чувствительными свойствами кристаллов являются ионная и полупроводниковая электропроводность, фотопроводимость, люминесценция, прочность и пластичность, окраска и ряд других свойств. Структурно-чувствительны, т.е. зависят от дефектов структуры, процесса роста кристаллов, рекристаллизации, пластической деформации, диффузии. Идеальная периодичность структуры кристаллов расстраивается тепловыми колебаниями атомов и нарушениями электронной плотности. Из-за наличия сил связи между частицами кристалл представляет собой систему взаимосвязанных вибраторов со спектром колебаний от акустических до ИК частот. Амплитуды колебаний тем больше, чем сильнее нагрет кристалл. При температурах близких к точке плавления, амплитуды могут достигать от 10 до 12% от межатомных расстояний. При температурах далеких от точки плавления, тепловые смещения можно считать малыми. Изменяются эти смещения рентгенодифракционным методом. В кристаллах с резко выраженной анизотропией структуры и сил связи заметна анизотропия колебаний, т.е. частоты колебаний в различных направлениях различны. Увеличение амплитуды колебаний происходит при поглощении тепла при нагреве. Энергия взаимодействия атомов является в гармоническим приближении квадратичной функцией смещения атомов относительно его соседей. По аналогии с квантом энергии электромагнитных колебаний Е=hn (фотоном) квант энергии колебаний кристаллической решетки называется фононом. В гармоническом приближении колебания кристаллической решетки рассматриваются как идеальный газ фононов (газ невзаимодействующих частиц). Набор частот колебаний, или фононный спектр, кристалла определяют по интенсивности ИК поглощения.